Transmission d'énergie sans fil : Application au réveil à distance de récepteurs en veille zéro consommation

• Auteur / Autrice : Vlad Marian
• Direction : Christian Vollaire, Jacques Verdier, Bruno Allard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 21/11/2012
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Cirio
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Basile Nando, Marc Thévenot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabien Ndagijimana, Thierry Parra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Systèmes de communication sans fil

Domotique

Télécommande

Mots clés libres

Phases de veille

Télécommande

Rectenna

Microstrip

Résumé

Les dispositifs électroniques modernes comportent souvent une ou plusieurs phases de veille, dans lesquelles elles attendent un ordre de réveil de la part d’un actionneur distant (une télécommande). Ces types de dispositifs ont tendance à être de plus en plus présents dans les habitations et dans les bâtiments tertiaires, en particulier dans le domaine de la domotique. Les phases de veille sont caractérisées par des niveaux de consommations très inférieures aux consommations en mode actif des dispositifs, mais les durées de veille sont généralement grandes devant les périodes actives. Ce fait, combiné à la multiplication des dispositifs, mène à des consommations annuelles qui peuvent dépasser 10 % de la facture d’électricité des ménages. Cette étude propose une nouvelle approche de réveil des dispositifs en veille. Au lieu d’avoir une écoute permanente en réception et d’envoyer une trame d’informations de réveil, le récepteur est complètement endormi et est réveillé à travers une impulsion d’énergie transmis par d’ondes électromagnétiques. Une fois que l’étage d’interprétation des données est alimenté, un envoi d’informations est effectué pour valider l’ordre de réveil. En vue des portées attendues pour le système et des contraintes normatives liées aux expositions des personnes aux champs électromagnétiques, une faible quantité d’énergie est disponible en réception pour le réveil du dispositif. Plusieurs topologies de circuits de rectification RF-DC (rectenna) en technologies microstrip sont étudiées à travers des simulations circuit et électromagnétiques. La topologie choisie a été optimisée pour fournir un bon niveau de tension DC pour des faibles niveaux de puissance RF incidente. Une adaptation entre le convertisseur et l’antenne de réception différente de 50 W a été utilisée. Tous ces résultats ont été validés expérimentalement. Au niveau du circuit de réception des données, plusieurs scénarios de fonctionnement ont été comparés. L’étage de démodulation utilise la rectenna comme détecteur à diodes, pour réduire au maximum la consommation et la complexité de mise en œuvre. Le système global a été testé et des gains substantiels sont constatés sur le bilan de consommation annuelle de plusieurs types des dispositifs, comparé à un fonctionnement classique. En parallèle, une architecture de récepteur d’énergie électromagnétique reconfigurable est proposée. Il offre l’avantage de pouvoir exploiter une large gamme de puissance incidente, ce qui n’est pas le cas des structures de rectennas classiques. Des rectennas en technologies discrètes et intégrées sont utilisées, connectées à une antenne commune à travers un switch d’antenne intégrée. Le système proposé est adaptatif et les résultats des tests montrent des améliorations notables de la quantité d’énergie collectée par rapport à des rectennas individuelles. Enfin, le phénomène de l’inversion de la tension dans une association déséquilibrée de rectennas est mis en évidence et des solutions sont proposées.

Modern electronic devices often include one or more phases of stand-by, where they waiting for a wakeup order from a distant actuator (remote control). These devices tend to be increasingly present in homes and in commercial buildings, especially in the field of building automation systems. Stand-by periods are characterized by consumption levels well below those in active mode, but stand-by periods are generally large compared to active periods. This fact, combined with the proliferation of devices, leads to annual consumption which may exceed 10% of the annual household electricity bill. This study proposes a new approach to waking up of stand-by devices. Instead of continuous monitoring of the arrival of the wake-up signal, the receiver is completely asleep and woke up through a pulse of energy transmitted via electromagnetic waves. Once the data receiver module is activated, information is sent to validate the wake-up order. In view of the expected ranges for the system and normative constraints related to exposures to electromagnetic fields, only a small amount of energy is available at receiver level for performing the wake-up. Several RF-DC rectification circuit (rectenna) topologies in microstrip technology are studied through circuit and electromagnetic simulation. The chosen topology has been optimized to provide a good level of DC voltage at low levels of incident RF power. A matching impedance other than 50 W between the converter and the receiving antenna was used. All these results have been validated experimentally. For the data receiver circuit, several operating scenarios were compared. The demodulation stage uses the rectenna as a diode detector to minimize consumption and complexity of implementation. The overall system has been tested and substantial gains are obtained for several types of devices, in terms of annual consumption, compared to classical stand-by devices. At the same time, a reconfigurable electromagnetic energy receiver architecture is proposed. It offers the advantage of exploiting a wide range of incident power, which is not the case of conventional rectenna structures. Rectennas fabricated in discrete and integrated technology are used, connected to a common antenna through an integrated antenna switch. The proposed system is self-adaptive and the test results show significant improvements in the amount of energy collected compared to individual rectennas. Finally, the phenomenon of voltage reversal in unbalanced rectenna associations is highlighted and possible solutions are proposed.